徐州九里湖地區(qū)塌陷地的土壤重金屬調查與評價

高祥冠，常 江

(1.中國礦業(yè)大學建筑與設計學院城市規(guī)劃研究所，江蘇 徐州 221116；2.太原科技大學藝術學院，山西 太原 030001)

在礦產資源開采、加工、利用過程中，產生的污染物的數量和速度都遠遠超過其環(huán)境承載能力，引起了礦區(qū)的環(huán)境污染。對于煤炭產區(qū)，煤礦塌陷地的重金屬污染問題為重中之重[1-7]。重金屬污染不僅會限制礦區(qū)自身發(fā)展，而且會影響礦區(qū)周邊農業(yè)生產和居民生活安全，尤其是重金屬通過食物鏈的富集作用，最終將影響到食物鏈頂端人類自身安全，而且重金屬環(huán)境污染對人與環(huán)境的威脅是長期的、隱性的和不可逆的。因此，近年來礦區(qū)重金屬污染的研究已經成為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的研究熱點之一[8-14]，這對于礦區(qū)環(huán)境治理和生態(tài)修復也是具有實踐意義的。

本文以徐州九里湖地區(qū)塌陷地為研究對象，首先通過遙感圖分析了九里湖區(qū)的土地利用的變化，在此前提下，按照《徐州市城市總體規(guī)劃(2010～2020年)》的不同功能區(qū)進行布點采樣，使用GIS技術分析Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Hg、As在塌陷地土壤中的分布格局，并通過土地利用的變化分析其可能重金屬污染的來源。以徐州市土壤背景值為依據，通過比值法和地質積累指數法對該區(qū)域進行生態(tài)風險評價。研究獲得的成果可以直接指導九里湖區(qū)域的重金屬污染治理，并對未來九里湖區(qū)域生態(tài)修復建設和發(fā)展規(guī)劃有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于徐州市城北九里湖地區(qū)，位于徐州市主城區(qū)西北部。區(qū)域內有煤炭、鐵、高嶺土等礦產資源，是徐州市煤炭、電力、建材工業(yè)基地，主要有龐莊礦、張小樓礦、夾河礦和王莊礦。研究范圍九里湖地區(qū)31.27 km2，目前已塌陷面積16.07 km2，占研究區(qū)的51.39%，由于采煤塌陷存在塌陷穩(wěn)沉過程，根據龐莊礦、張小樓礦等礦的井下工作面布置圖，未來研究區(qū)將有超過83.35%土地逐步塌陷。受徐州地區(qū)高潛水位地質條件的影響，該地區(qū)的塌陷地中常伴有季節(jié)性積水和常年積水的現象，其中8.37 km2為常年積水區(qū)即本文所指“九里湖”，圍繞“九里湖”還有季節(jié)性積水區(qū)7.7 km2。受積水影響，伴有土壤肥力退化，這些塌陷地成為粉煤灰及煤矸石堆放場，或垃圾堆放場，有害物質浸出。因此，九里湖地區(qū)是典型受塌陷侵擾，污染較為嚴重的地區(qū)。

2 研究方法

2.1 遙感數據源與分析處理

九里湖區(qū)土地利用變化研究采用的遙感數據包括1個時相的spot-1全色數據和1個時相spot-5全色數據。spot-1數據軌道號285-281，接收于1998年11月1日，分辨率為10 m；spot-5數據軌道號285-281，接收于2014年5月2日，分辨率為2.5 m。以工作站版ArcView為平臺，采用遙感圖像的信息提取技術，從遙感影像上發(fā)現有關地物的空間結構與形態(tài)信息，解譯結果為1998年和2014年九里湖區(qū)土地利用圖(圖1和圖2)。

圖1 1998年九里湖區(qū)土地利用圖

2.2 九里湖區(qū)土壤重金屬調查采樣點設計

2014年3月、7月、11月和2015年1月，根據《徐州市城市總體規(guī)劃(2010～2020年)》的不同功能區(qū)和受采煤塌陷最為嚴重的區(qū)塊，選定了采樣區(qū)域并設定了10個采樣點(圖3)，進行了4次采樣，使用GPS定位儀進行采樣點的定位并采集樣本。樣點坐標及1998年、2016年土地用途和規(guī)劃用途見表1。全部樣本在經過消解后，分析土壤中Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Hg、As等重金屬含量，其中Cu、Cd、Pb、Zn、Cr由原子發(fā)射光譜測定，Hg、As由原子熒光光譜測定，土壤pH值用電位法進行測定，全部數值取三個時間所獲數值的平均值。

圖2 2014年九里湖區(qū)土地利用圖

圖3 九里湖區(qū)重金屬樣點分布圖

3 結果與討論

3.1 1998～2014年九里湖區(qū)土地利用變化分析

通過對1998年、2014年兩個時相的遙感影像處理結果的分析，利用GIS統(tǒng)計工具可獲得九里湖區(qū)的各土地利用類型總面積和動態(tài)變化幅度(表2)?？梢粤私饩爬锖^(qū)土地利用變化總的態(tài)勢。

由表2可見，1998～2014年，耕地面積減少30.35%，主要是由于塌陷水域的增加和工礦企業(yè)的發(fā)展，少部分是開發(fā)了居住用地和交通用地，很少一部分耕地轉化為林地。水域用地面積增加37.42%，以及隨著煤炭的開采，引起塌陷積水面積的增多，部分林地被淹沒。已治理的塌陷水體也大都被治理為魚塘或濕地公園。交通用地、工礦倉儲用地的變化幅度較大，分別增加了84.44%和59.29%。交通用地、工礦倉儲用地增加說明九里湖區(qū)的工礦業(yè)在這十年間發(fā)展很快。居住用地面積增加了0.43 km2。林地面積增加了0.29 km2。結合從2014年以來對九里湖區(qū)的實地踏勘，在區(qū)域內有近30家的工業(yè)企業(yè)。由此可見，九里湖區(qū)近20年來工礦業(yè)的大力發(fā)展，已經引起了區(qū)域地表景觀的變化，受采空區(qū)和采煤塌陷的影響，造成了地表和地下水位的變化，形成諸多塌陷濕地，造成嚴重的土壤重金屬污染。

3.2 重金屬測試結果

從測試結果(表3)中可見，該七種重金屬元素在土壤中的富集程度大小排列為：Cd>Hg>Cu>Pb>Cr>Zn>As。結合對照《綠色食品產地環(huán)境標準》，目前Zn、Hg、As、Cr的含量滿足標準， Cu、Cd、Pb的含量均超過標準。與徐州背景值相比，只有Zn、As低于背景值，Hg、Pb、Cu、Cd、Cr的含量全部高于背景值。

表1 樣點坐標及1998年、2016年土地用途和規(guī)劃用途一覽表

表2 1998～2014年九里湖區(qū)土地覆被變化

表3 九里湖區(qū)土壤中重金屬含量平均值

注：背景值采用1989年徐州市土壤質量檢驗所的數據，Zn標準值參考《土壤環(huán)境質量標準》二級標準。

3.3 九里湖區(qū)土壤重金屬富集分布分析及評價

九里湖區(qū)重金屬分析采用ArcView工作站版，對比1989年徐州市重金屬背景值，參考1998～2014年土地利用變化，分析了重金屬在九里湖區(qū)的富集度和重金屬可能的污染源。參考目前主流的重金屬危害評價[15-18]，本研究對九里湖區(qū)土壤重金屬環(huán)境的評價從重金屬含量比背景值的倍數和地質累積指數兩個方面進行了綜合評價(表4)。

表4 九里湖區(qū)土壤重金屬地質累積指數

由表4可知，各元素重金屬含量比背景值的倍數與地質積累指數成正比關系。Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Hg、As的平均含量分別是徐州市土壤背景值的5.75倍、42.72倍、4.22倍、0.99倍、1.96倍、12.5倍和0.32倍，由此可知，Cu、Cd、Pb、Cr、Hg等5種重金屬元素在土壤中富集較為嚴重，其中Cd的富集程度最大，達到42.7倍；而Zn、As的平均含量均比土壤背景值低，尤其是As，其含量僅為背景值的0.3倍。該七種重金屬元素在土壤中的富集程度大小排列為：Cd>Hg>Cu>Pb>Cr>Zn>As。地質累積指數(index of geo-accumulation，Igeo)是一種研究環(huán)境沉積物中重金屬污染的定量指標，地質累積指數法在評價過程中主要考慮元素相對于自然本底值的富集性，更側重于從自然角度評價。通過計算可知各元素平均危害程度依次為：Cd>Hg>Cu>Pb>Cr>As>Zn。通過比較，各元素重金屬含量比背景值的倍數與地質積累指數成正比關系，兩者的分析結果基本一致。下文介紹了Cd、Cu、Pb、Hg的分布情況，可見Cd、Cu、Pb、Hg是九里湖區(qū)土壤重金屬治理工作的重點(圖4和圖5)。

研究區(qū)域內Cu元素的土壤富集在東北部有一個明顯的高值帶，其次在九里湖西湖有一個較高值帶。最高值在樣點10，含量為118.7 mg/kg，是徐州市土壤背景值的9.41倍，其位置毗鄰東城井礦；其次為樣點9，含量為93.8 mg/kg，處于粉煤灰填埋場；再次為樣點8，含量為90.2 mg/kg，處于龐莊煤礦。Cu含量最低值在樣點5，含量為48.4 mg/kg，處于張小樓窯廠，是徐州市土壤背景值的3.84倍?？傮w來看研究區(qū)域Cu的平均含量為徐州市土壤背景值的5.75倍，因此該區(qū)域屬于Cu富集區(qū)。從地質積累指數來看，Cu在樣點1至樣點7都是2級中度污染，在樣點8、樣點9、樣點10是3級較強度污染；其原因可能是由于樣點8是龐莊煤礦，作為一座幾十年的老礦區(qū)，土壤中Cu污染嚴重是必然的；樣點10附近有銅業(yè)公司，在開采、冶煉銅的過程中會產生多種重金屬污染，尤其是Cu污染；樣點9有嚴重的Cu污染可能是由于當地常年堆放粉煤灰所致，因為經采樣測定當地粉煤灰的Cu含量123.5 mg/kg大于該地土壤中的Cu含量。

研究區(qū)內Cd的分布大致為西北部與東南部含量偏低，中部偏高。該研究區(qū)內有兩個明顯的高值帶，分別為龐莊礦矸石堆及九里湖東湖的粉煤堆處。最高值在樣點8，含量為20.3 mg/kg，是徐州市土壤背景值的70倍，從空間上來看，應該受到龐莊煤礦的影響；其次為樣點9，含量為18.2 mg/kg，此處位于九里湖西湖岸；再次為樣點3，含量為15.4 mg/kg。Cd含量最低值在樣點5，位于張小樓村窯廠附近，含量為3.1 mg/kg，是徐州市土壤背景值的17倍。總體來看，研究區(qū)Cd的平均含量為徐州市土壤背景值的42.72倍，因此該區(qū)域屬于Cd富集區(qū)。從地質積累指數來看Cd在樣點5是3級污染，在樣點1、樣點2、樣點4、樣點6、樣點7、樣點10是5級污染，在樣點3、樣點8、樣點9是6級污染；整個研究區(qū)的Cd污染都很嚴重，主要是由于該研究區(qū)是采煤塌陷區(qū)，煤礦生產及以燃煤為主要能源的企業(yè)周圍Cd元素的富集都十分明顯。

圖4 九里湖區(qū)土壤Cd、Cu、Pb、Hg含量等值線圖

圖5 九里湖區(qū)土壤Cd、Cu、Pb、Hg地質積累指數等值線圖

研究區(qū)內Pb的分布大致為東北部與西南部含量高，西北部及中部比較低。該研究區(qū)龐莊礦東城井及樣點3種植區(qū)有兩個高值帶，最高值在樣點10，含量為89.8 mg/kg，位于東城井礦，是徐州市土壤背景值的5.5倍。其次為樣點3，含量為85.5 mg/kg；再次為樣點6，含量為78.1 mg/kg，樣點3和樣點6都處于農作物種植區(qū)。Pb含量最低值在樣點5，位于張小樓村窯廠，含量為41.7 mg/kg，是徐州市土壤背景值的2.6倍?？傮w來看，研究區(qū)土壤基本上全部受到Pb污染。從地質積累指數來看Pb在樣點5、樣點8是1級污染，在其余樣點則是2級污染；在礦區(qū)及燃煤為主要能源的企業(yè)會以Pb為特征，樣點5的Pb含量低可能是因為雖然該區(qū)域有一個小窯廠，但其污染能力有限，并且周圍都是種植區(qū)，農作物的生長把部分重金屬吸收。

研究區(qū)內Hg的分布大致呈自東向西逐漸降低的趨勢。Hg含量的最大值在樣點10，位置毗鄰東城井礦，含量為0.236 mg/kg，是徐州市土壤背景值的23.6倍，其次是樣點2，處于九里湖西湖湖岸，含量為0.200 mg/kg，是徐州市土壤背景值的20倍，再次為樣點3，含量為0.169 mg/kg。Hg含量最低值在樣點7，是張小樓礦的住宅區(qū)，含量為0.034 mg/kg，為徐州市土壤背景值的3.4倍。從地質積累指數來看Hg在樣點7是2級污染，在樣點4、樣點6、樣點8、樣點9是3級污染，在樣點1、樣點2、樣點3、樣點5、樣點10是4級污染。雖然研究區(qū)土壤中Hg含量都在國家土壤環(huán)境質量Ⅱ級標準內；但是考慮到該地區(qū)Hg背景值比較小和Hg毒性較大，加之近十幾年的其含量呈現大幅增長的趨勢，因此該研究區(qū)的Hg污染較為嚴重。

3.4 重金屬測試結果對城市規(guī)劃的指導

在《徐州市城北開發(fā)區(qū)總體規(guī)劃規(guī)劃》中，九里湖地區(qū)的城市規(guī)劃主要用地類型為三類：居住用地(22.35%)、農業(yè)用地(58.47%)、一類工業(yè)用地(17.48%)，規(guī)劃中建議控制工業(yè)污染，塌陷地復墾后重點發(fā)展城郊生態(tài)農業(yè)及漁業(yè)養(yǎng)殖[19]。根據本研究上述結果分析，九里湖地區(qū)塌陷地不僅改變了原有的地表地貌，而且受高潛積水影響，土壤存在諸多重金屬等有害物質的潛在危害，如發(fā)展城郊生態(tài)農業(yè)，在農作物、漁業(yè)養(yǎng)殖產品中，存在重金屬等有害物質會隨食物鏈而轉移的風險。因此，發(fā)展城郊生態(tài)農業(yè)的規(guī)劃方向并不適宜。

本研究認為未來一定時期內，重金屬等污染物還將存在，九里湖地區(qū)塌陷地復墾到可利用狀態(tài)后，不能簡單地再繼續(xù)從事農業(yè)生產。本研究根據九里湖地區(qū)塌陷地的分布及特點，從生態(tài)安全、人居安全的角度，因地制宜、科學謀劃，結合城市發(fā)展，提出九里湖地區(qū)城市規(guī)劃與塌陷地綜合利用模式(表5)。在控制重金屬污染源的基礎上，一方面將重金屬污染的土地作為建設用地，用于二類工業(yè)用地和二類居住用地，將重金屬污染土地封存隔離，這是一種較為被動的處理方法，但是可以解決城市用地緊張問題。另一方面，將重金屬污染的土地作為生態(tài)林地和城市濕地，利用植物修復技術，如黑麥草、雜草龍葵等重金屬富集植物來豐富景觀效果和降低重金屬污染，這是一種較為積極處理方法，進而達到建設生態(tài)宜居城市的目的。

表5 九里湖地區(qū)塌陷地復墾措施與城市規(guī)劃建議

4 結 論

徐州九里湖地區(qū)近年來土地利用的變化表明，1998～2014年，林地面積減少30.35%，水域用地面積增加37.42%，是由于采煤塌陷積水面積的增多，部分林地被淹沒。交通用地、工礦倉儲用地分別增加了84.44%和59.29%，說明2000年后九里湖地區(qū)的工礦業(yè)迅速發(fā)展。結合實地踏勘，九里湖地區(qū)有多家煤礦企業(yè)及煤炭附屬工業(yè)，其開采出的煤炭、煤矸石，燃燒形成的粉煤灰必然會對當地土壤產生重金屬污染。土壤重金屬調查結論顯示，九里湖區(qū)土壤重金屬的富集程度為Cd>Hg>Cu>Pb>Cr>Zn>As，從地質積累指數來看各元素平均危害程度依次為：Cd>Hg>Cu>Pb>Cr>As>Zn，目前Zn、Hg、As、Cr的含量滿足標準，Cu、Cd、Pb的含量均超過標準。與徐州背景值相比，只有Zn、As低于背景值，Hg、Pb、Cu、Cd、Cr的含量全部高于背景值。結合以上，Cd、Cu、Pb、Hg是九里湖區(qū)土壤重金屬治理工作的重點。在本研究數據和分析評價基礎上，本文對九里湖地區(qū)的城市規(guī)劃用地類型和規(guī)劃方向給出了建議。塌陷穩(wěn)沉后，煤矸石、粉煤灰回填治理用于城市建設用地，分別作為二類工業(yè)用地和二類居住用地，發(fā)展生態(tài)工業(yè)園和生態(tài)宜居區(qū)。塌陷深度大或深度不確定地區(qū)，進行水陸復合濕地生態(tài)修復，發(fā)展城市生態(tài)林地和城市濕地公園，結合關閉礦井工業(yè)建筑和設施，發(fā)展煤炭工業(yè)遺址旅游和生態(tài)休閑旅游，提升九里湖片區(qū)品質。